三种电流补偿方式在变压器差动保护中的应用分析

1、摘 要 随着电力系统的发展，特别是现代新材料、新工艺的发展，变压器容量不断增大，对变压器保护的快速性和可靠性也提出了更高的要求。对变压器内部故障及励磁涌流进行暂态仿真，有助于分析变压器的运行状况，改进现有变压器保护的性能和发展新型的变压保护方案。论文首先综述了变压器保护的现状和发展趋势，研究了纵差保护的基本原理中不平衡电流产生的原因及消除办法，分析了励磁涌流产生的原因，对比研究了励磁涌流的鉴别方案。变压器励磁涌流是引起变压器差动保护误动作的主要因素之一，所以识别励磁涌流以及如何抑制其大小是现在研究变压器励磁涌流的关键。变压器差动保护中常用三种电流补偿方式分别为：Y电流相位补偿方式，Y电流相位补

2、偿方式和采用相电流的补偿方式。文章对具有Y/接线变压器差动保护中三种电流补偿方式进行了分析比较，研究了单相、两相和三相产生涌流时各种补偿方式识别励磁涌流的效果，重点分析了变压器空载合闸时的补偿情况，同时利用MATLAB仿真，对三种方式下各相差流中二次谐波含量进行了分析比较，指出相电流补偿方式识别励磁涌流的能力跟另外两种补偿方式相当。同时，分析了差流中基波和二次谐波相位差之间的变化关系，指出附加相位制动不适于在三种电流补偿方式中采用，最后提出了一种新的变压器差动保护TA配置方案来提高励磁涌流的识别能力。关键词：变压器差动保护，励磁涌流，相位补偿，二次谐波，附加相位ABSTRACT With th

3、e development of power system, especially with the evolution of the modern material, new crafts and the larger capability of power transformers, the requirement for transformers protection becomes much stricter. Study of the features of inrush and internal faults of the transformers can help to anal

4、yze the transformers operation state, to improve existed protection performance and to develop new protection schemes. This paper firstly summarizes the present and future development trends of transformers protection and then the principle of longitudinal differential protection. Both the cause and

5、 the elimination of the unbalanced current are analyzed. The study and comparison of the excitation inrush current are mainly analyzed. Transformer inrush current is one of the main factorscausing differential transformer malfunction protection. the inrush current identification and how to curb its

6、size is the key of studying transformer inrush current. the three commonly methods for current compensation used in Transformer differential protection were: Y current phase compensation, Y current phase compensation and the use of the Current Phase compensation. This article has analyzed and compar

7、ed the three current compensation methods for transformer differential protection in Y/ wiring, various compensation methods to identify the effects of inrush current with a single-phase, a two-phase or a three-phase producing inrush current, flow at the focus of the compensation when transformer ai

8、r Closing, while using MATLAB simulation, analyzing the second harmonic in the current difference of contents under the three ways, and point out that the capacity of current compensation methods to identify inrush current is equal with two other compensation. At the same time, this paper analyzes t

9、he relations of phase difference change between fundamental and the second harmonic the, and point out that additional braking is unfit for being used in the three-phase current compensation methods. In the end, a new method transformer differential protection TA Configuration is proved to improve t

10、he identification inrush current capacity. KEY WORDS: differential transformer protection, inrush current, phase compensation, the second harmonic, additional phase 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论21.1 课题背景及意义21.2 变压器保护研究的现状21.3 本文工作4第2章 变压器差动保护原理的介绍62.1 引言62.2变压器差动保护的原理62.3变压器差动保护不平衡电流分析92.4变压器差动保护中不平衡电流的克服

11、方法102.5结论12第3章 三种电流补偿方式在变压器差动保护中的应用分析143.1 引言143.2 变压器励磁涌流的介绍143.3 三种电流补偿方式的介绍183.4三种电流相位补偿方式的分析比较203.5 差流中基波和二次谐波相位差分析253.6 变压器差动保护中CT配置分析273.7 结论27第4章 结论284.1 全文总结284.2 需进一步研究的工作28参 考 文 献30附 录32致 谢33第1章 绪论1.1 课题背景及意义电力变压器是电力系统的重要组成元件之一，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。同时，大型变压器造价昂贵，一旦发生故障遭到损坏，其检修难度大、时间长，

12、会造成很大的经济损失。此外，随着超高压远距离输电线路在系统中越来越多地投入使用，大容量变压器相应地日益增多，特别是在单台容量占系统容量比例很大的情况下，故障变压器的切除，可能给系统造成很大的扰动。因此，在考虑大型变压器继电保护的总体配置时，除了保证其安全运行外，还要最大范围地缩小故障的影响，特别要防止保护装置误动作或拒绝动作。近十年来，我国220KV及以上变压器保护正确动作率一直徘徊在60%一85%之间，远低于线路保护的正确动作率(99%以上)。如下表所示：表1.1 19992003年变压器保护正确动作率统计年份19992000200120022003总计动作总次数20620125221420

13、61079正确动作次数138151208160158815误动次数6749435348260拒动次数111115正确动作率/%66.9975.1282.5474.7776.21（平均）75.12造成变压器保护拒动和误动的原因有多方面，如管理的不足、运行维护不当、设计不合理等，但更主要的是变压器保护在原理上存在一定的缺陷，其关键问题主要有两个:一是作为变压器主保护的差动保护在原理上存在不足之处，二是用于识别励磁涌流的方法不十分准确。因此，要提高变压器保护的正确动作率，其当务之急是发现新的保护原理和准确识别励磁涌流的新方法。通过识别励磁涌流的特征来减少保护元件的误动是变压器差动保护要研究的主要内容

14、。准确识别励磁涌流能够使保护元件更可靠及时动作对电力系统的安全运行将起到很大的帮助作用。1.2 变压器保护研究的现状从工程应用的现状来看，世界上大多数国家都将纵差动保护作为变压器主保护的主流配置。差动保护的理论依据是基尔霍夫电流定律，用于纯电路设备时，其性能优良，如在发电机和线路中的差动保护充分体现了差动保护选择性好、灵敏度高和动作速度快的优点。但电力变压器和电力线路不同，由于电力变压器采用闭合铁芯，其实质上是一个非线性元件，这种非线性对保护是非常不利的。在变压器运行条件复杂的情况下，过励磁时励磁电流可达额定电流的水平;空载合闸或变压器外部故障被切除后电压突然恢复时，励磁电流的大小有时可与短路

15、电流相比拟，如此大的励磁涌流可能足以使差动保护误动作。因此，变压器差动保护的主要矛盾是如何准确鉴别励磁涌流和变压器内部故障。励磁涌流是变压器特有的电磁现象，正常运行时，变压器铁芯工作在不饱和状态，其相对导磁率很大，变压器的励磁电感也很大，因而其励磁电流很小，一般不超过变压器额定电流的3%一5%。当变压器空载投入时，它将受到一个阶跃电压的作用，该电压将建立一个工作磁通使变压器最终能稳定运行。在磁通的建立过程中，除非合闸初相角为90°，否则将会产生一个附加的直流磁通，如果同时变压器铁芯还存在剩磁，并且剩磁的方向与附加直流磁通的方向一致，则合成后的磁通将会周期性地超越饱和磁通门槛，造成变压

16、器铁芯饱和。一旦铁芯工作特性从不饱和区进入饱和区，便会出现数值很大的励磁电流，此电流被称为励磁涌流，其值最大可达变压器额定电流的6一8倍。在三相变压器中，除了合闸初相角外，还有许多因素会对励磁涌流的波形产生不同程度的影响，如电源电压的大小、系统等值阻抗的大小和相角、变压器三相绕组的接线方式和中性点的接地方式、三相铁芯的结构、铁芯硅钢片的组装工艺水平和铁芯材料等等。当励磁涌流经过电流互感器流入差动继电器时，将会造成差动保护误动作。因此，如何防止励磁涌流造成差动保护误动作，是目前变压器差动保护研究的主要工作之一。根据对变压器空载合闸时的模型分析可知，在时变的过程中，合成磁通总是在铁芯磁化曲线的饱和

17、区和非饱和区间来回变化，从而导致了励磁涌流在非饱和区出现了间断角，而在饱和区出现很大的数值。从仿真波形上可以看出，空载合闸时的励磁涌流具有以下特征：1)包含有很大成份的非周期分量，往往使涌流波形偏于时间轴的一侧；2)包含有大量的高次谐波，其中以二次谐波为；3)波形之间出现间断，在一个周期中的间断角为a。基于上述特点，在变压器差动保护中采用了许多识别励磁涌流的方法，归纳起来主要有以下几个方面:1)谐波识别法，如利用二次谐波对差动保护进行制动；2)波形特征识别法，如间断角原理、波形对称原理、波形拟合原理和波形相关性分析等，后几种方法都是以间断角为基础发展起来的；3)磁通特性识别法，如磁通一电流特性

18、、磁通对电流变化率一一电流特性、电压一一磁通对电流变化率特性、励磁电感的时间特性等等；4)等值电路法。目前国内外研究对多的对励磁涌流识别的影响主要在以下几个方面：a 转角方式对励磁涌流识别的影响:对于三相变压器，由于存在星角转换的问题，需要对电流进行变换，比较传统的方式是Y的转换方式，这种方式由于两相电流互减，可能产生两个不利因素：（1） 可能产生对称性的励磁涌流（不同想别的间断电流可能组成较完整的正弦电流），不适合采用分相制动的励磁涌流闭锁方式，导致空投到故障变压器差动保护动作速度下降；(2) 由于两相电流的互减可能将故障相的故障特征和非故障相的励磁涌流特征混叠起来，不利于故障特征的提取，导

19、致空投到故障变压器差动保护动作速度下降；另外一种方式是采用Y的调整方式，这种调整方式能在很大程度上保留励磁涌流和故障电流的分相特征，有利于励磁涌流分相判据的实现，可实现投到故障变压器的快速动；b 分相制动和制动方式的选择对励磁涌流识别的影响；分相制动的励磁涌流判据由于不受非故障相的励磁涌流特征的影响，能够较好的识别空投到故障变压器的情况，但空投到正常变压器时的涌流闭锁能力相对制动方式有所不足，需要采取其他措施来提高躲避励磁涌流的能力。制动的励磁涌流判据虽然具有较强的励磁涌流闭锁能力，但在空投到故障变压器的动作速度偏慢，尤其是空投到匝间故障变压器，其动作时间可能仅为几十毫秒，两者时间差可能达到几

20、十倍。此外，现场有录波数据表明，制动励磁涌流判据可能在区外转区内故障情况下误闭锁差动保护。这些差电流中含有大量的谐波成分，导致装置误判为励磁涌流情况。变压器励磁涌流的大小与变压器合闸相角、剩磁大小、磁饱和程度等因素有关。1.3 本文工作对于常规的三相电力变压器，由于绕组接线组别不同造成高低压侧线电流存在相位差，从而引起变压器差动保护回路中产生较大的不平衡电流，因此必须在计算差流前进行电流相位的调整。以国内通常采用的Y0,d11接线的变压器为例，差动保护中普遍采用两种不同的电流相位补偿方法：一种是将Y侧电流通过算法转换为与侧电流相对应，称为Y电流相位补偿方式，另一种是在Y0侧减去零序电流，同时将

21、侧电流通过算法转换为与Y侧电流相对应，称为Y电流相位补偿方式。另外，现在很多文献都提到采用未经任何变换的相电流来进行二次谐波闭锁。如何尽可能真实的反映涌流大小已成为提高差动保护可靠动作率的关键因素。本文将以国内普遍采用的Y0,d11接线的变压器为例，对具有Y/接线变压器差动保护中三种电流补偿方式进行了分析比较，研究了单相、两相和三相产生涌流时各种补偿方式识别励磁涌流的效果，重点分析了变压器空载合闸时的补偿情况，利用MATLAB仿真，对三种方式下各相差流中二次谐波含量进行了分析比较。同时，分析了差流中基波和二次谐波相位差之间的变化关系，最后提出了一种新的变压器差动保护TA配置方案来提高励磁涌流的

22、识别能力。本文的主要工作：（1）变压器差动保护原理介绍（2）三种电流相位补偿方式介绍（3）三种电流相位补偿方式分析比较（4）差流中基波和二次谐波相位差分析（5）根据变压器差动保护中配置分析提出新的提高识别励磁涌流能力的方法。第2章 变压器差动保护原理的介绍2.1 引言众所周知，纵差保护是一切电气主设备的主保护，它灵敏度高、选择性好，在变压器保护上运用较为成功。它可以用来反映变压器绕组的相间短路故障、中性点接地侧绕组的接地故障以及引出线的相间短路故障、中性点接地侧引出线的接地故障。但是变压器纵差保护一直存在励磁涌流难以鉴定的问题，虽然已经有几种较为有效的闭锁方案，又因为超高压输电线路长度的增加、

23、静止无功补偿容量的增大以及变压器硅钢片工艺的改进、磁化特性的改善等因素，变压器纵差保护的固有原理性矛盾更加突出。纵差保护还受到互感器采集不平衡电流的影响，在本章将研究纵差保护的基本原理、不平衡电流的产生及克服方案。2.2变压器差动保护的原理图2-1 双绕组变压器纵差保护的原理接线首先以如图(2-1)所示的双绕组单相变压器为例介绍纵差动保护的基本原理。，为变压器两侧的一次电流，为相应的电流互感器二次电流。，的参考方向为母线指向变压器，电流互感器的正极性(标*号者为正极性)置于靠近母线的一侧；的参考方向为变压器指向母线，电流互感器的正极性置于靠近变压器的一侧。将电流互感器不同极性的端子相连接。差动

24、继电器则并联在电流互感器的二次端子上。流入差动继电器了-的电流为 =- (2-1)称为差电流。最基本的差动继电器就是一个过流继电器，电流超过动作电时继电器即动作。因此纵差动保护的动作判据为> (2-2)式中为纵差动保护的动作电流也称动作门槛值。=-为差电流的有效值。设变压器的变比为 =/，忽略变压器的损耗，正常运行和区外故障时有=。式(2-1)可进一步表示为= (2-3) 式中，、分别为两侧电流互感器的变化。若选则电流互感器的变化，使之满足= （2-4）这样式（2-3）就变为 （2-5）根据式(2-5)，正常运行和变压器外部故障时，差电流为零，保护不会动作；变压器内部(包括变压器与电流互

25、感器之间的引线)任何一点故障时，相当于变压器内部多了一个故障支路，流入差动继电器的差电流等于故障点电流(折算到电流互感器二次侧)，只要故障电流大于差动继电器的门槛值，差动保护就会迅速动作。由此可见，纵差动保护不但能够正确区分区内外故障，而且不需要与其它元件保护配合，可以无延时地切除各种区内故障，因而被广泛地用作变压器的主保护。式(2-4)是纵差动保护中电流互感器变比选择的依据。 (a) 原理接线图 （b） 电流矢量图图2-2 三相双绕组变压器纵差动保护的原理接线和电流矢量图实际电力系统都是三相变压器(或三相变压器组)，并且通常采用Y/11的接线方式，如图2-2(a)所示。这样的接线方式造成了变

26、压器两侧一次电流的相位不一致。以A相为例，有=。正常运行或区外故障时、，与、是同相的，但超前30°，如图2-2（b）所示，若仍用单相变压器的接线方式，两侧一次电流的相位差将导致继电器中产生很大的差电流。要通过改变纵差保护的二次接线方式来消除这个电流。解决的方法实际上就是将引入差动继电器的Y侧的电流也用两相电流差的方法，即 （2-6）式中、是流入三个差动继电器的差电流。这样就可以消除两侧电流相位不一致的影响。由于Y侧采用了两相电流差，相当于变压器的变比增加了十倍，因此电流互感器变比的选择应该满足 （2-7）为了满足式(2-6)，变压器两侧电流互感器采取不同的接线方式，如图2-2（a）所

27、示。侧采用Y/Y-12的接线方式，将各相电流直接接入差动继电器内;Y侧采用Y/-11的接线方式，将两相电流差接入差动继电器内。模拟式的差动保护都是采用图2-2(a)的方式，而对于数字式差动保护，也可以将Y侧的三相电流直接接入保护装置内，由计算机的软件实现式(2-6)的功能，以简化接线。图2-3 三绕组变压器总差动保护原理接线电力系统中常常采用三绕组变压器。三绕组变压器的纵差动保护原理与双绕组变压器是一样的。图2-3所示的是Y/Y/-11接线方式三绕组单相变压器纵差动保护的接线图，接入纵差动继电器的差电流为 （2-8） 变压器各侧电流互感器的接线方式和变比的选择也要参照Y/-11双绕组变压器的方

28、式进行调整，即侧互感器用Y接线方式；两个Y侧互感器则采用接线方式。设变压器的1-3侧和2-3侧的变比为和，考虑到正常运行和区外故障时变压器各侧电流满足+=0，电流互感器变比的选择应该满足 (2-9)事实上，外部发生短路故障时，因为外部短路电流大，特别是暂态过程中含有非周期分量电流，使电流互感器的励磁电流急剧增大，而呈饱和状态使得变压器两侧互感器的传变特性很难保持一致，而出现较大的不平衡电流。因此采用带制动特性的原理，外部短路电流越大，制动电流也越大，继电器能够可靠制动。一般地运用纵差保护原理能可靠地区分区内外故障，并有相当高的灵敏度，这也是电力系统主元件往往采用纵差保护的原因。但对变压器来说情

29、况有一些特殊性，在变压器合闸时，在变压器的一侧产生很大的电流，使得空载电流增加到正常状态的68倍，形成所谓的励磁涌流，励磁涌流属于正常工况下的电流，保护装置不应动作，但它却是差电流，因此在变压器保护中必须鉴别出励磁涌流的状况，防止在这种情况下保护误动，这是变压器保护的重点和难点所在。另外，由于纵差保护的构成原理是基于比较变压器各侧电流的大小和相位，受变压器各侧电流互感器以及诸多因素影响，变压器在正常运行和外部故障时，其动差保护回路中有不平衡电流，使纵差保护处于不利的工作条件下。为保证变压器纵差保护的正确灵敏动作，必须对其回路中的不平衡电流进行分析，找出产生的原因，采取措施予以消除。2.3变压器

30、差动保护不平衡电流分析2.3.1 稳态情况下的不平衡电流变压器在正常运行时纵差保护回路中不平衡电流主要是由电流互感器、变压器接线方式及变压器带负荷调压引起。1) 由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生。正常运行时变压器各侧电流的大小是不相等的。为了满足正常运行或外部短路时流入继电器差动回路的电流为零，则应使高、低压两侧流入继电器的电流相等，即高、低侧电流互感器变比的比值应等于变压器的变比。但是，实际上由于电流互感器的变比都是根据产品目录选取的标准变比，而变压器的变比是一定的，因此上述条件是不能得到满足的，因而会产生不平衡电流。2) 由变压器两侧电流相位不同而产生。变压器常常采用两侧电流的相位

31、相差30°的接线方式(对双绕组变压器而言)。此时，如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式(即均采用形接线方式)，则二次电流由于相位不同，也会在纵差保护回路产生不平衡电流。3) 由变压器两侧电流互感器型号不同而产生。电流互感器是一个带铁心的元件，在变换电流的过程中，需要一定的励磁电流，所以一次电流和二次电流的关系为: (2-10)当变压器两侧电流互感器的型号不同时，它们的饱和特性、励磁电流等也就不同，即使两侧电流互感器的变比符合要求，流入差动继电器的差电流为： (2-11)差电流也不会为零，即在正常运行或外部短路时，会有不平衡电流流入差动继电器。4)由变压器带负荷调整分接头产生。在电

32、力系统中，经常采用有载调压变压器，在变压器带负荷运行时利用改变变压器的分接头位置来调整系统的运行电压。改变变压器的分接头位置，实际上就是改变变压器的变比。如果纵差保护已经按某一运行方式下的变压器变比调整好，则当变压器带负荷调压时，其变比会改变，此时，纵差保护就得重新进行调整才能满足要求，但这在运行中是不可能的。因此，变压器分接头位置的改变，就会在差动继电器中产生不平衡电流，它与电压调节范围有关，也随一次电流的增大而增大，可表示为: (2-12)2.3.2 暂态情况下的不平衡电流1)由变压器励磁涌流产生变压器的励磁电流仅流经变压器接通电源的某一侧，对差动回路来说，励磁电流的存在就相当于变压器内部

33、故障时的短路电流。因此，它必然给纵差保护的正确工作带来不利影响。正常情况下，变压器的励磁电流很小，通常只有变压器额定电流的3%6%或更小，故纵差保护回路的不平衡电流也很小。在外部短路时由于系统电压降低，励磁电流也将减小。因此，在正常运行和外部短路时励磁电流对纵差保护的影响常常可忽略不计。但是，在电压突然增加的特殊情况下，比如变压器在空载投入和外部故障切除后恢复供电的情况下，则可能出现很大的励磁电流，这种暂态过程中出现的变压器励磁电流通常称励磁涌流。2)由变压器外部故障暂态穿越性短路电流产生纵差保护是瞬动保护，它是在一次系统短路暂态过程中发出跳闸脉冲。因此，必须考虑外部故障暂态过程的不平衡电流对

34、它的影响。在变压器外部故障的暂态过程中，一次系统的短路电流含有非周期分量，它对时间的变化率很小，很难变换到二次侧，而主要成为互感器的励磁电流，从而使互感器的铁心更加饱和。本来按10%误差曲线选择的电流互感器在变压器稳态外部短路时，就会处于饱和状态，再加上非周期分量的作用，则铁心将严重饱和。因而，电流互感器的二次电流的误差更大，暂态过程中的不平衡电流也将更大。2.4变压器差动保护中不平衡电流的克服方法从上面的分析可知，构成纵差保护时，如不采取适当的措施，流入差动继电器的不平衡电流将很大，按躲开变压器外部故障时出现的最大不平衡电流整定的纵差保护定值也将很大，保护的灵敏度会很低。若再考虑励磁涌流的影

35、响，保护将无法工作。因此，如何克服不平衡电流，并消除它对保护的影响，提高保护的灵敏度，就成为纵差保护的中心问题。1)由电流互感器变比产生的不平衡电流的克服方法对于由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流可采用2种方法来克服:一是采用自耦变流器进行补偿。通常在变压器一侧电流互感器(对三绕组变压器应在两侧)装设自耦变流器，将LH输出端接到变流器的输入端，当改变自耦变流器的变比时，可以使变流器的输出电流等于未装设变流器的LH的二次电流，从而使流入差动继电器的电流为零或接近为零。二是利用中间变流器的平衡线圈进行磁补偿。通常在中间变流器的铁心上绕有主线圈即差动线圈，接入差动电流，另外还绕一个

36、平衡线圈和一个二次线圈，接入二次电流较小的一侧。适当选择平衡线圈的匝数，使平衡线圈产生的磁势能完全抵消差动线圈产生的磁势，则在二次线圈里就不会感应电势，因而差动继电器中也没有电流流过。采用这种方法时，按公式计算出的平衡线圈的匝数一般不是整数，但实际上平衡线圈只能按整数进行选择，因此还会有一残余的不平衡电流存在，这在进行纵差保护定值整定计算时应该予以考虑。目前微机继电保护已被广泛应用，对于变压器纵差保护中由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流可以通过软件补偿，也可采用在模数变换(VFC)板上直接调整变压器各侧电流的硬件调整平衡系数的方法，把各侧的额定电流都调整到保护装置的额定工作电

37、流(5A或1A)，这类似于整流型保护调整平衡绕组的方法。2)由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流的克服方法对于由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流可以通过改变LH接线方式的方法(也称相位补偿法)来克服。对于变压器Y形接线侧，其LH采用形接线，而变压器形接线侧，其LH采用Y形接线，则两侧LH二次侧输出电流相位刚好同相。但当LH采用上述连接方式后，在LH接成形侧的差动一臂中，电流又增大了3倍，此时为保证在正常运行及外部故障情况下差动回路中没有电流，就必须将该侧LH的变比扩大3倍，以减小二次电流，使之与另一侧的电流相等，故此时选择LH变比的条件是: (2-13)在采用微机保护的变压器中，

38、变压器各侧LH均可接成Y形，因相位不同而产生的不平衡电流可以通过软件进行相位校正。3)由电流互感器型号不同和由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流的克服方法该不平衡电流均可在变压器纵差保护定值整定计算中予以考虑。在稳态情况下，为整定变压器纵差保护所采用的最大不平衡电流可由下式确定: (2-14)式中:tx为LH的同型系数，当LH型号相同时取0.5，不同时取1.0；U为变压器带负荷调压引起的相对误差，一般采用变压器调压范围的一半；fza为平衡线圈整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差。4)由变压器外部故障暂态穿越性短路电流产生的不平衡电流的克服方法在变压器外部故障的暂态过程中，使纵差保护产生

39、不平衡电流的主要原因是一次系统的短路电流所包含的非周期分量，为消除它对变压器纵差保护的影响，广泛采用具有不同特性的差动继电器。a 采用带速饱和变流器和带加强型速饱和变流器的差动继电器。采用带速饱和变流器的差动继电器是克服暂态过程中非周期分量影响的有效方法之一。根据速饱和变流器的磁化曲线可以看出，周期分量很容易通过速饱和变流器变换到二次侧，而非周期分量不容易通过速饱和变流器变换到二次侧。因此，当一次线圈中通过暂态不平衡电流时，它在二次侧感应的电势很小，此时流入差动继电器的电流很小，差动继电器不会动作。加强型速饱和变流器是由一个带有2个短路线圈的速饱和变流器和1个作为执行元件的电流继电器组成。速饱

40、和变流器的磁导体是一个三柱铁心，2个短路线圈分别绕在中间柱和左侧边柱上，其极性的连接是使它们所产生的磁通在铁心柱中同方向相加，使变流器更容易饱和，从而使分周期分量更不容易通过变流器变换到二次侧，加强了继电器避越非周期分量的作用。b 采用具有磁力制动特性的差动继电器。这种差动继电器是在速饱和变流器的基础上，增加一组制动线圈，利用外部故障时的短路电流来实现制动，使继电器的起动电流随制动电流的增加而增加，它能可靠地躲开变压器外部短路时的不平衡电流，并提高变压器内部故障时的灵敏度。具有磁力制动特性的差动继电器的主要元件是一个三铁心柱的速饱和变流器，它共有6个线圈，即:2个制动线圈、1个工作线圈、1个平

41、衡线圈、2个二次线圈。其中制动线圈通常接于变压器无电源一侧或小电源一侧的差动臂上，工作线圈接于差动回路中。当制动线圈中没有电流时，能使执行元件动作的工作线圈中的电流为继电器的最小启动电流。当制动线圈中有电流后，它将在铁心的2个边柱上产生磁通，使铁心饱和，导磁率下降。此时要使执行元件动作，必须增大工作线圈中的电流，因此，继电器的启动电流随着制动电流的增大而增大。通过正确的定值整定，可以使继电器的实际启动电流不论在任何大小的外部短路电流的作用下均大于相应的不平衡电流，使变压器纵差保护能可靠躲过变压器外部短路时的不平衡电流。这种具有制动特性的差动继电器虽然整定计算和调试都比较复杂，但由于它的优点显著

42、，在变压器的纵差保护中得到了广泛的应用。2.5结论在本章中简要介绍了纵差保护的基本原理，详细介绍了影响纵差保护的不平衡电流产生的主要原因，以及解决不平衡电流的部分方法。由于励磁涌流产生的不平衡电流仍然是纵差保护的重点。励磁涌流的影响导致纵差保护方案的设计也不尽相同，具体将在第三章进行分析。第3章 三种电流补偿方式在变压器差动保护中的应用分析3.1 引言近年来，我国的超高压、大容量电力变压器不断投产，远距离输电系统越来越多地建成、运行，电力工业已有了可喜的发展。但是，国内变压器保护的发展却远远落后，其保护正确动作率长期偏低。造成这一结果的原因有管理上的不足，有当前工作人员的素质问题(设计、制造、

43、整定调试、运行维护诸方面的失误)，但最主要的是由于电力变压器继电保护技术上的缺陷。纵差保护一直是电力变压器的主保护，其理论根据是基尔霍夫电流定律，对于纯电路设备，纵差保护无懈可击。所以，在发电机和线路保护的应用中，纵差保护写下了辉煌的一页，充分体现了纵差保护的明确选择性、高灵敏度和高速动性。但是，对于变压器而言，由于内部磁路的联系，本质上不再满足基尔霍夫电流定律，变压器励磁电流成了纵差保护不平衡电流的一种来源。然而，大型电力变压器正常运行时的励磁电流通常低于额定电流的1%，所以适当设定纵差保护动作值仍可准确区分变压器内部故障与外部故障。但是，电力变压器运行条件复杂，过励磁时励磁电流可达额定电流

44、的水平，空载合闸或者变压器外部短路被突然切除而端电压突然恢复时，暂态励磁电流(即励磁涌流)的大小有时可与短路电流相比拟。这样大的不平衡电流必然导致纵差保护误动，为此，变压器纵差保护的主要矛盾一直集中在准确鉴别励磁涌流和内部故障电流上。围绕这一主题，世界各国的科技工作者先后提出了许多方法，但仍不能很好地满足当前电力变压器保护的需求可靠(不拒动)、安全(不误动)及快的动作速度。文中对各种判别方法的原理、优缺点、技术关键及研究和应用现状进行了较详细的分析与客观评价，对比研究后给出了今后励磁涌流判别方法的发展方向。对于常规的三相电力变压器，由于绕组接线组别不同造成高低压侧线电流存在相位差，从而引起变压

45、器差动保护回路中产生较大的不平衡电流，因此必须在计算差流前进行电流相位的调整。以国内通常采用的Y0,d11接线的变压器为例，差动保护中普遍采用两种不同的电流相位补偿方法：一种是将Y侧电流通过算法转换为与侧电流相对应，称为Y电流相位补偿方式，另一种是在Y0侧减去零序电流，同时将侧电流通过算法转换为与Y侧电流相对应，称为Y电流相位补偿方式。另外，现在很多文献都提到采用未经任何变换的相电流来进行二次谐波闭锁。如何尽可能真实的反映涌流大小已成为提高差动保护可靠动作率的关键因素。本文将以国内普遍采用的Y0,d11接线的变压器为例，通过详细分析涌流情况，分析比较三种方式识别涌流的能力，并对差流中基波和二次

46、谐波相位差进行详细讨论，提出了在变压器三角形侧适当进行CT配置从而提高识别励磁涌流能力的思想。3.2 变压器励磁涌流的介绍3.2.1 励磁涌流的产生及特点电力变压器正常运行时，用于建立磁场的励磁电流很小，通常只占到其额定电流的38%，对于大型变压器甚至不到1%。变压器在空载合闸或外部故障切除后恢复供电时，由于变压器剩磁的存在以及磁通的暂态特性，通过铁心的磁通量超过饱和磁通，造成变压器铁心的饱和，致使励磁电流显著增加而产生励磁涌流。由于变压器铁芯饱和的非线性 ,变压器空载合闸时、区外故障切除再恢复等状态下可能产生与短路电流可比拟的暂态励磁涌流。由于剩磁等因素影响 ,励磁电流中可能有直流分量 ,它

47、保护偏于时间轴的一侧 ,励磁电流偏于时间轴一侧的这一特点使磁通对励磁电流变化的磁滞回线不与坐标原点相对称 ,因此 ,励磁阻抗在励磁电流正、负半周是不对称的 ,这就意味着励磁电流含有一定分量的偶次谐波分量。但若没有直流分量 ,磁通中随励磁电流变化的磁滞回线对坐标原点相对称 ,即使励磁进入饱和区 ,励磁电流的波形也因出现一定分量的奇次谐波分量而发生畸变。励磁涌流是导致变压器电流差动保护误动作的主要因素。一般而言，变压器励磁涌流具有以下几个显著特征：1）励磁涌流数值很大，最大可达变压器额定电流的68倍；2）励磁涌流包含有很大成分的非周期分量，波形呈尖顶波形且偏于时间轴的一侧；3）励磁涌流包含有大量的

48、高次谐波，而以二次谐波为主；4）励磁涌流相邻波形是不连续的，因而波形之间出现了间断角。由于励磁涌流的存在，使变压器差动回路产生很大的不平衡电流，常常导致纵差保护的误动作，给变压器纵差保护的实现带来困难。3.2.2 励磁涌流对变压器差动保护的影响由前面的分析可知，变压器差动保护出现不平衡电流的原因是多方面的，而其中以变压器空载合闸时或者当外部短路故障被切除后电压恢复时所产生的励磁涌流的影响最为严重。这是由于一方面励磁涌流的大小将达到变压器额定电流的几倍甚至近十倍；另一方面励磁涌流只流过变压器的电源侧，而负荷侧因开路并没有电流。励磁涌流将流入纵差保护的差动回路，若差动保护不能够躲过这一电流，它就会

49、误动作。因此，当前变压器差动保护的核心问题是如何正确地识别励磁涌流和内部故障电流。由于变压器保护的重要性和励磁涌流的复杂性，促使了对励磁涌流问题的不断研究。目前已有多种识别励磁涌流的方法。利用变压器的电流量识别励磁涌流与内部故障电流的传统方案有二次谐波制动原理和间断角闭锁原理。二次谐波制动原理的变压器差动保护，往往采用或门制动方式，即某一相电流的二次谐波含量超过门槛值，就闭锁三相。这种方式带来的问题是合闸于内部故障时，差动保护因健全相的涌流制动而拒动或长延时动作。另一方面，在超高压电力系统中，由于长输电线（或电缆）分布电容以及串补电容的影响，某些故障电流中的二次谐波含量也很大，使得采用二次谐波

50、制动原理的保护长延时出口。间断角原理的优点是能够快速切除合闸于内部故障。但是，在电流互感器（TA）因饱和使传变间断角消失的情况下，必须采取某些措施来恢复间断角，增加了保护的复杂性。同时由于TA特性的非线性，要精确恢复间断角存在困难。近年来，国内外学者提出了很多同时利用变压器的电流量和电压量鉴别励磁涌流的新原理和新方法，如磁通特性鉴别法、等值电路参数鉴别法等，这些原理需要对变压器的某些参数作人为的假设，其应用前景取决于理论上的进一步突破。因此，进一步探索快速、准确地区分变压器励磁涌流和内部故障电流的新原理，对提高变压器差动保护的性能是十分必要的。3.2.3 几种鉴别励磁涌流的原理及其缺陷3.2.

51、3.1 电流波形特征识别法电流波形特征识别法一直是人们研究的热点，目前仍占据主流。该方法以励磁涌流和内部故障电流波形特征的差异为依据己运用于实践的有二次谐波制动原理和间断角原理。新近提出的有采样值差动原理、波形对称原理、波形叠加原理、波形相关性分析法和波形拟合法，其中采样值差动原理是间断角原理的衍生，波形对称原理是间断角原理的改进，而波形叠加原理波形相关性分析法和波形拟合法则是波形对称原理的衍生或改进。另外随着人们研究领域的逐步扩大，研究层次的逐渐加深，产生的若干新兴学科也为判别励磁涌流提供了新的手段，其中有代表性的是神经网络和小波变换。然而就目前发表的文献看，这些新兴手段也只是局限于对电流波

52、形进行一些简单的加工，所以仍属于电流波形特征识别法的范畴。1） 二次谐波制动原理二次谐波制动法是计算差流中的二次谐波分量。若其值较大则判定为涌流二次谐波制动原理简单明了，有多年的运行经验。目前国内外实际投入运行的微机变压器保护大都采用该原理。但是采用二次谐波制动原理的变压器保护面临着以下几个问题:a励磁涌流是暂态电流，不适合用傅里叶级数的谐波分析方法.因为对于暂态信号而言，傅里叶级数法的周期延拓将导致错误的结果。b很难适当选择制动比K.美国西屋公司的制动比为7.0%一7.5%，但ABB取10%，我国和大部分国家则取巧%一20%。谁更科学较难评判。c现代变压器磁特性的变化，使得涌流时二次谐波含量

53、低，导致误动;而大容量变压器，远距离输电的发展，使得内部故障时暂态电流产生较大的二次谐波，导致拒动。2） 间断角原理间断角原理利用了涌流波形有较大间断角的特征，通过检测差流间断角的大小实现鉴别涌流的目的。该原理的模拟式保护装置已得到应用，但面临着因电流互感器传变引起的间断角变形问题。当电流互感器饱和时，在涌流的间断角区域将产生反向电流，电流互感器饱和越严重则反向电流越大，最终使得涌流间断角消失。对于内部故障电流而言，电流互感器饱和将导致差流的间断角增大，而且电流互感器饱和越严重，其差流间断角越大。前者将使得变压器发生涌流时差动保护误动，后者将使得变压器内部故障时差动保护拒动。此外，用微机实现间

54、断角原理时硬件成本高。主要表现在以下几个方面:a 需要较高的采样率以准确测量间断角。结果对CUP:的计算速度提出了更高的要求。b 涌流间断角处的电流非常小，几乎接近于O。而A/D转换芯片正好在零点附近的转换误差最大。因此，需要高分辨率的AD/转换芯片。3） 波形对称原理波形对称原理是利用差电流导数的前半波与后半波进行对称比较。根据比较的结果去判断是否发生了励磁涌流。该原理基于对励磁涌流导数波宽及间断角的分析，是间断角原理的推广，且比间断角原理容易实现。但是涌流波形与许多因素有关，具有不确定性、多样性，如果州直取得太大，保护可能误动;而故障电流也并非总是正弦波。实际系统中必须考虑故障情况的多样性

55、和故障波形的复杂性。当系统有分布电容较大的电缆线路存在时，故障波形中就含有大量的谐波，此时如果比较阈值选得太小，保护就有可能拒动，而且电流互感器饱和必将引起差流变形。.2 小波变换法20世纪80年代后期发展起来的小波变换在时、频两域都具有表征信号局部特征的能力，被誉为分析信号的数学显微镜，非常适合于非平稳信号的分析，克服了傅里叶变换只能适应稳态或准稳态信号分析、时域完全无局部性的缺点，可以准确地提取信号的特征。所以，小波变换的出现立刻引起了科技界时、频分析方法的新革命，当然也为励磁涌流和内部故障电流的判别带来了福音。自从小波变换的妙用被继电保护工作者认识以来，就前仆后继地涌现出一大批从事励磁涌

56、流判别的科研人员，都试图通过小波变换彻底解决100年前留给我们的技术难题变压器励磁涌流与内部故障的判别。目前，小波变换在此方面的应用研究如火如茶，但一直以来主要集中于高次谐波检测和奇异点检测。此外并未发现大的突破。实际上，两者都是间断角原理的一种推广，高频检测反映的是差流状态突变产生的高次谐波，高频细节出现的位置对应于变压器饱和、退饱和时刻或故障发生时刻。若差流的高频细节突变周期出现，则为励磁涌流;若出现一次后便很快衰减为0，则为内部故障。奇异点检测利用了小波变换模极大值原理，检测的是差流状态突变而产生的第2类间断点，奇异点与涌流间断角相对应。但是，对微机保护来讲，获得高频分量势必需要提高采样频率，从而增加了技术难度和成本，而且可能会受到系统谐波的影响，能否经受住环境高频噪声的考验，有待进一步研究。另外，如何正确检测模值亦是一个难题。神经网络方法人工神经